ნახშირბადის ნანოუბის გვერდი

Original web-page: http://www.personal.rdg.ac.uk/~scsharip/tubes.htm

ნახშირბადის ნანოტეფი მეცნიერება და ტექნოლოგია

ნახშირბადის ნანოუბნები არიან ნახაზის ნახშირბადის მოლეკულური მასშტაბები მილები. მათ შორის არიან ძლიერი და ძლიერი ბოჭკოები, რომლებსაც აქვთ ცნობილი ელექტრონული თვისებები და მრავალი სხვა უნიკალური თვისება. ამ მიზეზით მათ დიდი აკადემიური და სამრეწველო ინტერესი მიიპყრო, ყოველწლიურად გამოიცა ათასობით ნაშრომი ნანოუბებზე. კომერციული განაცხადები საკმაოდ ნელია, თუმცა, პირველ რიგში, საუკეთესო ხარისხის ნანოტებით მაღალი წარმოების ხარჯების გამო.

ისტორია

მიმდინარე დიდი ინტერესი ნახშირბადის ნანოტები არის პირდაპირი შედეგი სინთეზის ბუკინსტერნფლელები, C₆₀ და სხვა ფულელები, 1985 წელს აღმოაჩინა, რომ ნახშირბადის შეიძლება ჩამოყალიბდეს სტაბილური, მიღებული სტრუქტურების გარდა გრაფიტის და ბრილიანტი სტიმულირება მკვლევარებმა მსოფლიოში მოძებნოთ სხვა ახალი ფორმები ნახშირბადის. ძიება გადაეცა ახალი იმპულსი, როდესაც ეს იყო ნაჩვენები 1990 წელს, რომ C ₆₀ შეიძლება წარმოებული მარტივი arc-აორთქლების აპარატის ხელმისაწვდომი ყველა ლაბორატორიები. იგი გამოყენებით ასეთი ამაორთქლებელი, რომ იაპონიის მეცნიერი სუმო აიჯიმა აღმოაჩინეს ფულერენული დაკავშირებული ნახშირბადის ნანოტები 1991 წელს მილები შეიცავს მინიმუმ ორი ფენების, ხშირად მრავალი სხვა, და მერყეობდა გარე დიამეტრი დაახლოებით 3 ნმ 30-ნმ. ისინი ყოველთვის დახურულია ორივე შაბათ.

ფიგურა (მარცხნივ) ნაჩვენებია რამდენიმე მრავალ კედელი ნანოტები of გადამცემი ელექტრონული მიკროგრაფი. 1993 წელს ნახშირბადის ნანოუბის ახალი კლასი აღმოაჩინეს, მხოლოდ ერთი ფენა. ეს ერთი კედლის ნანოუბნები ზოგადად ვიწროა, ვიდრე მრავალ კედელი მილები, რომელთა დიამეტრი, როგორც წესი, 1-2 ნმ დიაპაზონში, და უფრო მეტია, ვიდრე სწორი. სურათზე გამოსახულია გამოსახულების ზოგიერთი ტიპიური ცალკეული კედლები. მალევე დაადგინა, რომ ეს ახალი ბოჭკოები გამონაკლის თვისებებითაა გამოვლენილი (იხ. ქვემოთ), რაც გამოიწვია ნახშირბადის ნანოუბნებზე გამოკვლევის აფეთქება. მნიშვნელოვანია აღინიშნოს, რომ ნახშირბადის ნახშირბადოვანი მილები წარმოიქმნება კატალიზურად, იჯიმას აღმოჩენა მანამდე მრავალი წლის განმავლობაში იყო ცნობილი. მთავარი მიზეზი, რის გამოც ეს ადრეული მილები არ გაამახვილა ფართო ინტერესი, რომ ისინი სტრუქტურულად საკმაოდ არასრულყოფილი იყვნენ, ამიტომ არ ჰქონდათ განსაკუთრებით საინტერესო თვისებები. ბოლო კვლევებმა ყურადღება გაამახვილა კატალიზურად წარმოებული ნანოუბების ხარისხის გასაუმჯობესებლად.

სტრუქტურა

ნახშირბადის ნანოუბნებში შემაერთებელია sp², თითოეულ ატომს შეუერთდა სამი მეზობელი, როგორც გრაფიტი. ამიტომ მილები შეიძლება ჩაითვალოს, როგორც გაბრტყელებული გრაფენების ფურცლები (გრაფენი ინდივიდუალური გრანიტის ფენაა). არსებობს სამი განსხვავებული გზა, რომელშიც გრაფფენის ფურცელი შეიძლება მივიღოთ მილში, როგორც ნაჩვენებია ქვემოთ მოცემულ დიაგრამაზე.

პირველი ორი მათგანი, რომელიც ცნობილია როგორც “სავარძელში” (ზედა მარცხენა) და “ზიგზაგი” (შუა მარცხნივ) აქვს სიმეტრიის მაღალი ხარისხი. ტერმინები “სავარძელი” და “ზაგ-ჟაკი” ეხება წრეწირების გარშემო ჰექსაგონების მოწყობას. მესამე კლასის მილის, რომელიც პრაქტიკაში ყველაზე გავრცელებულია, ცნობილია როგორც, რაც იმას ნიშნავს, რომ მას შეუძლია არსებობდეს ორი სარკის დაკავშირებული ფორმები. ჩირალის ნანოტის მაგალითი გვიჩვენებს ქვედა მარცხენა მხარეს.

ნანოთუბის სტრუქტურა შეიძლება განისაზღვროს ვექტორი (n, m), რომელიც განსაზღვრავს, თუ როგორ ხდება გრაფანი ფურცელი. ეს შეიძლება გაგებული იყოს მითითება უფლების მოსაპოვებლად. ნანომილის-ს ინდექსებით (6,3) წარმოება, ვთქვათ, ფურცელი გააქტიურებულია ისე, რომ ატომი შეაფასა (0,0), რომელიც ერთვის ეტიკეტზე (6,3). ის ჩანს, რომ ფიგურაა, რომ ყველა მძლავრი მილისთვის m = 0, ხოლო n = m ყველა სავარძელში.

სინთეზი

რკალის აორთქლების მეთოდი, რომელიც აწარმოებს საუკეთესო ხარისხის ნანოუბებს, გულისხმობს 50 ამპერი-ის მიმდინარეობას ორი გრაფიტის ელექტროდებს შორის ჰელიუმის ატმოსფეროში. ეს იწვევს გრაფიტის ამოფრქვევას, ზოგიერთის შეწოვა რეაქციის ჭურჭლის კედლებზე და ზოგიერთ მათგანს კათოდზე. ეს არის დეპოზიტი კათოდზე, რომელიც შეიცავს ნახშირბადის ნანოუბებს. ერთჯერადი ფონიანი ნანოუბნები იწარმოება, როდესაც Co და Ni ან სხვა ლითონი ემატება ანოდს. 1950-იანი წლებიდან ცნობილი იყო, რომ ნახშირბადის ნანოუბნები ასევე შეიძლება გაკეთდეს ნახშირბადის შემცველი გაზის გავლით, როგორიცაა ნახშირწყალბადები, კატალიზატორზე. კატალიზატორი შეიცავს ლითონის ნანო ზომის ნაწილაკებს, ჩვეულებრივ Fe, Co ან Ni. ეს ნაწილაკები კატალიზაციას ქმნიან აირის მოლეკულებს ნახშირბადში და მილის შემდეგ იწყება ზრდის ლითონის ნაწილაკთან ერთად. 1996 წელს ნაჩვენები იქნა, რომ ცალკეული ფონიანი ნანოუბნები შეიძლება წარმოიქმნას კატალიზურად. ამგვარად წარმოებული ნახშირბადის ნანოუბნების სრულყოფა ზოგადად ღარიბია, ვიდრე არკ-აორთქლების მიერ, მაგრამ ბოლო წლების განმავლობაში გაუმჯობესდა ტექნიკა. კატალიზური სინთეზის დიდი უპირატესობა არკ-აორთქლებზე არის ის, რომ მისი მოცულობის გაზომვა შესაძლებელია. ნახშირბადის ნანოუბების შესაქმნელად მესამე მნიშვნელოვანი მეთოდი მოიცავს ძლიერი ლაზერის გამოყენებით ლითონის გრაფიტის სამიზნედ. ეს შეიძლება გამოყენებულ იქნას ერთგვაროვანი მილების წარმოების მაღალი სარგებლით.

თვისებები

sp² ნახშირბადის ნახშირბადის ვენების სიძლიერე იძლევა ნახშირბადის ნანოუბებს საოცარი მექანიკური თვისებების შესახებ. მატერიის სიმტკიცე იზომება მისი ახალგაზრდა მოდულის მიხედვით, სტრესის შეცვლის მაჩვენებელი გამოყენებული შტამის გამოყენებით. ახალგაზრდა მოდულის საუკეთესო ნანოუბნები შეიძლება იყოს 1000 გრადუსამდე, რაც დაახლოებით 5x მაღალია ფოლადისაგან. ტენსილური ძალა, ან ნანოთების დაძაბვა შეიძლება იყოს 63 GPa, დაახლოებით 50x მაღალია, ვიდრე ფოლადი. ეს თვისებები, ნახშირბადის ნანოუბნების სიმსუბუქით, მათ აძლევს პოტენციურ პროგრამებს, როგორიცაა აერონავტიკა. ის უკვე ვარაუდობს, რომ ნანოთები შეიძლება გამოყენებულ იქნას “სივრცეში ლიფტი”, დედამიწის სივრცეში საკაბელო პირველი მიერ შემოთავაზებული არტურ კლარკი. ნახშირბადის ნანოუბნების ელექტრონული თვისებები ასევე საგანგებოა. განსაკუთრებით აღსანიშნავია ის ფაქტი, რომ ნანოუბნები შეიძლება იყოს ლითონისა და ნახევარგამტარი მათი სტრუქტურის მიხედვით. ამგვარად, ზოგი ნანოუბუბს აქვს სპილენძის მაღალგამტარობა, ზოგი კი უფრო სილიკონის მსგავსია. არსებობს დიდი ინტერესი ნანოტები საწყისი ნანოეკალურ ელექტრონული მოწყობილობების მშენებლობის შესაძლებლობაზე და ამ სფეროში გარკვეული პროგრესი ხორციელდება. თუმცა, სასარგებლო ხელსაწყოს მშენებლობისთვის საჭიროა ათასობით ნანოუბის მოწყობა განსაზღვრულ ნიმუშში, და ამის მიღწევა აუცილებელი არ არის. არსებობს რამდენიმე სფერო ტექნიკა, სადაც ნახშირბადის ნანოუბნები უკვე გამოიყენება. მათ შორისაა პანელი პანელი მონიტორები, სკანირების გამოკვლევა მიკროსკოპები და სენსორული მოწყობილობები. უნიკალური თვისებები ნახშირბადის ნანოუბნები უდავოდ გამოიწვიოს მრავალი სხვა პროგრამები.

ნანორონსი

ერთი კედელი ნახშირბადის გირჩები ერთად აღებული ანალოგიურია ნანომილის ქუდები იყო პირველი მომზადებული პიტერ ჰარისი, ედმენ ცანგი და კოლეგებს 1994 (დააწკაპუნეთ აქ, რომ ჩვენი ქაღალდი). ისინი მზადდება მაღალი ტემპერატურა სითბოს მკურნალობის ფულერენული ჭვარტლს – დააჭირეთ აქ, რომ ნახოთ ტიპიური იმიჯი. სუმო აიჯიმა ჯგუფი შემდგომში აჩვენა, რომ ისინი ასევე შეიძლება მიერ წარმოებული ლაზერული აბლაცია გრაფიტი, და მისცა მათ სახელი “ნანორონი”. ეს ჯგუფი აჩვენა, რომ ნანორონი აქვს შესანიშნავი ადსორბციული და კატალიზური თვისებები.